使用基于模型的温度平衡的蒸汽温度控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本专利整体涉及锅炉系统的控制并且在一个具体实例中涉及使用基于模型的温度平衡进行用于生成锅炉系统的蒸汽的控制和优化。
【背景技术】
[0002]各种工业以及非工业应用使用燃料燃烧锅炉，其中，燃料燃烧锅炉一般进行操作以通过燃烧各种类型的燃料如煤、煤气、石油、废料等等中的一种来将化学能转换为热能。燃料燃烧锅炉的示例性的使用是在热力发电机中，其中，燃料燃烧锅炉从经过锅炉中的大量管子和管道传递的水生成蒸汽，并且生成的蒸汽然后用于操作一个或多个蒸汽涡轮以产生电。热力发电机的输出基于锅炉中生成的热量的数量，其中，热量的数量直接由例如每小时消耗(例如燃烧)的燃料的数量确定。
[0003]在许多情况中，发电系统包括锅炉，锅炉具有用于燃烧或以其他方式使用燃料来生成热量的炉子，热量又被传递给流经锅炉的各个部分中的管子或管道的水。典型的蒸汽生成系统包括具有过热器部分(其具有一个或多个子部分)的锅炉，其中，在该过热器部分中产生蒸汽并且蒸汽被提供给通常高压的第一蒸汽涡轮并且在第一蒸汽涡轮中使用。虽然基于热力的发电机的效率严重依赖于用于燃烧燃料并且传递热量给在锅炉的过热器部分或任意额外部分中流动的水的特定炉子/锅炉组合的热传递效率，但是该效率还依赖于用于控制锅炉的过热器部分或任意额外部分中的蒸汽的温度的控制技术。
[0004]然而，如我们将理解的，发电厂的蒸汽涡轮一般在不同的时间运行在不同的操作等级上，以基于能量或负载需求产生不同数量的电流。对于大部分使用蒸汽锅炉的发电厂，在锅炉的最终过热器出口处的期望蒸汽温度设置点是保持恒定的，并且在全部负载等级上必需保持蒸汽温度接近该设置点(例如在窄的范围之内)。具体地，在使用(例如发电)锅炉的操作中，蒸汽温度的控制是关键的，因为从锅炉流出的和进入蒸汽涡轮的蒸汽的温度处于最优期望温度是重要的。如果蒸汽温度过高，则蒸汽可能由于各种冶金学的原因导致蒸汽涡轮的叶片损坏。另一方面，如果蒸汽温度过低，则蒸汽可能包括水颗粒，这又可能在蒸汽涡轮的长时期操作后损坏蒸汽涡轮的组件以及降低涡轮的操作效率。此外，蒸汽温度的变化还导致金属材料疲劳，其导致管道泄漏。
[0005]一般，锅炉的每个部分(即过热器部分和任意附加部分如再热器部分)包括级联的热交换器部分，其中，从一个热交换器部分流出的蒸汽进入接下来的热交换器部分，使得在每个热交换器部分处蒸汽的温度增加直到蒸汽理想地以期望的蒸汽温度输出给涡轮为止。一些热交换器部分包括例如单独的主过热器，这些主过热器并行连接并且又可以串行连接到最终的过热器。在该级联配置中，主要通过控制在锅炉的第一级的输出处的水的温度(这主要通过改变提供给炉子的燃料/空气混合物或者通过改变提供给炉子/锅炉组合的燃烧速率对输入给水的比率来实现)来控制蒸汽温度。在不具有锅筒的直流式锅炉系统中，可以主要使用输入到系统的燃烧速率对给水比率来调节在涡轮的输入处的蒸汽温度。
[0006]虽然改变提供给炉子/锅炉组合的燃料/空气比率和燃烧速率对给水比率操作良好地随着时间实现蒸汽温度的期望控制，但是仅使用燃料/空气混合物控制和燃烧速率对给水比率控制难以控制在锅炉的各种部分处的蒸汽温度的短期波动。反之，为了执行短期(以及次级)蒸汽温度控制，在位于紧靠涡轮的上游、最终热交换器部分之前处将饱和水喷雾到蒸汽中。该次级蒸汽温度控制操作一般发生在每个主过热器的输出处并且在锅炉的最终热交换器部分之前。为了实现该操作，沿蒸汽流动路径并且在热交换器部分之间设置温度传感器以测量在沿流动路径的关键点处的蒸汽温度，并且为了蒸汽温度控制目的而将测量的温度用于调节向蒸汽中喷雾的饱和水的量。
[0007]在一些情况中，必须严重依赖喷雾技术来根据需要尽可能精确地控制蒸汽温度，以满足上述的涡轮温度约束。在一个实例中，经过锅炉中的一组导管来提供连续的水(蒸汽)流并且不使用锅筒以实际上将流出第一锅炉部分的蒸汽或水的温度进行平均化的直流式锅炉系统可能在蒸汽温度中经历更大的波动并且因此一般需要喷雾部分的更繁重的使用来控制到涡轮的输入处的蒸汽温度。在这些系统中，一般使用燃烧速率对给水比率控制连同过热器喷雾流动来调节炉子/锅炉系统。在这些以及其他锅炉系统中，分布式控制系统(DCS)使用级联PID (比例积分微分)控制器来控制提供给炉子的燃料/空气混合物和在涡轮上游执行的喷雾的量。
[0008]然而，级联PID控制器一般以反作用的方式响应于待控制的从属过程变量(如待被传递到涡轮的蒸汽的温度)的实际值或等级与设置点之间的差或误差。即，控制响应发生在从属过程变量已经从其设置点漂移之后。例如，仅在传递给涡轮的蒸汽的温度已经从其目标漂移之后位于涡轮的上游的喷雾阀才被控制以重新调整它们的喷雾流。无疑，该反作用控制响应结合改变锅炉操作条件可能导致大的温度摆动，该大的温度摆动导致对锅炉系统的压力并且缩短管道、喷雾控制阀和系统的其他组件的寿命。
【发明内容】
[0009]本文描述的系统、方法和控制器的实施方式包括用于控制蒸汽生成系统的技术，包括使用动态矩阵控制来控制蒸汽生成系统的至少一部分，如输入蒸汽生成系统的最终过热器组件的蒸汽的温度。最终过热器组件加热输入蒸汽以产生输入到涡轮的输出蒸汽。本文所使用的术语“输出蒸汽”是指从蒸汽生成系统立即传递到涡轮中的蒸汽。本文所使用的“输出蒸汽温度”是离开蒸汽生成系统并且进入涡轮的输出蒸汽的温度。
[0010]用于控制蒸汽生成系统的技术可以包括第一控制块，该第一控制块接收两个信号作为输入，该两个信号中的每个信号对应于该蒸汽生成系统的中间部分的实际值、等级或测量值。该技术进一步包括动态矩阵控制块，该动态矩阵控制块接收与该蒸汽生成系统的待被控制的部分的实际值、等级或测量值相对应的信号(例如实际输出蒸汽温度)作为其输入；以及该蒸汽生成系统的待被控制的部分的设置点(例如输出蒸汽温度设置点)。第一控制块基于其输入生成用于表示两个输入信号的实际值、等级或测量值之间的差的偏移值。动态矩阵控制块基于其输入生成与多个现场设备相关联的控制信号以控制中间部分的值、等级或测量值。该技术还包括用于根据该动态矩阵控制的控制信号生成第一控制信号和第二控制信号的模块。附加模块基于偏移值修改该第一控制信号。该技术被配置为将修改的第一控制信号提供给第一现场设备以控制该中间部分的一部分并且提供该第二控制信号给第二现场设备以控制该中间部分的附加部分。该第一现场设备和第二现场设备朝着蒸汽生成系统的至少一部分的期望输出蒸汽温度设置点影响该至少一部分。因此，延长了蒸汽生成系统的管道、阀和其他内部组件的寿命，因为该技术将由于系统中的温度和其他变量的摆动导致的压力最小化。
【附图说明】
[0011]图1示出了具有用于一组典型的蒸汽动力涡轮的过热器部分的典型的锅炉蒸汽循环的方框图，该过热器部分具有并行连接到最终过热器的两个主过热器；
[0012]图2示出了用于以现有方式控制如图1的蒸汽动力涡轮的锅炉蒸汽循环的过热器部分的示意图；
[0013]图3示出了以有助于优化系统的效率来控制图1的过热器部分的锅炉蒸汽循环的示意图；
[0014]图4示出了一个用于控制蒸汽生成锅炉系统的示例性方法。
【具体实施方式】
[0015]虽然以下文本描述了本发明的多个不同实施方式的详细描述，但是应该理解本发明的法律范围是由本专利所附权利要求的文字限定的。详细描述仅被理解为示例性的并且不是描述本发明的每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式即使可能的也是不切实际的。可以使用当前技术或在本发明的递交日之后开发的技术实现多个可替换实施方式，这将仍然落入用于限定本发明的权利要求的范围中。
[0016]图1示出了可以例如在热力发电厂中使用的典型的锅炉100的直流式锅炉蒸汽循环的方框图。锅炉100可以包括各种部分，蒸汽或水可以以各种形式流经该各种部分。图1的锅炉100描述了多个过热器部分，过热蒸汽流经该过热器部分，但是应该理解，还构思了其他部分，如再热器部分。虽然图1中示出的锅炉100具有各种水平放置的锅炉部分，但是在实际实现中，这些部分中的一个或多个可以彼此垂直地放置，特别是因为用于加热各种不同锅炉部分(如水墙吸收部分)中的蒸汽的燃料气体垂直地上升(或者垂直地盘旋)。
[0017]在任意情况中，如图1中所示的，锅炉100包括炉子和主水壁吸收部分102、第一主过热器吸收部分104、第二主过热器吸收部分105以及最终过热器吸收部分106。另外，锅炉100可以包括第一减温器或者喷雾器部分110、第二减温器或者喷雾器部分111和节能器(ecomonizer)部分114。在操作期间，由锅炉100生成并且由最终过热器吸收部分106输出的主蒸汽用于驱动高压(HP)涡轮116。在一些情况中，锅炉100也可以用于驱动低压或中压涡轮，如在图1中未示出的在再热器吸收部分中包括的低压或中压涡轮。
[0018]主要负责生成蒸汽的水壁吸收部分102包括大量导管，来自节能器部分114的水或蒸汽通过该导管在炉子中加热。当然，进入水壁吸收部分102的给水可以通过节能器部分114泵送，并且该水当处于水壁吸收部分102中时吸收大量热量。在水壁吸收部分102的输出处提供的蒸汽或水供给到第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105。
[0019]如图1中所示的，第一主过热器吸收部分104与第二主过热器吸收部分105并行连接(即水同时流经第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105)。第一主过热器吸收部分104和第二主过热器吸收部分105中的每一个被配置为加热进入其中的水并且输出已加热的水。流出第一主过热器吸收部分104和